紀(jì)尊眾 樊立龍 趙多蒼 祝 兵 康啊真 李志輝

（1.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300；2.西南交通大學(xué) 四川成都 610031）

1 引言

隨著世界橋梁施工技術(shù)的日益發(fā)展，鋼吊箱圍堰在大跨深水橋梁中得到了廣泛運(yùn)用，然而深水海域的大跨度橋梁建設(shè)因?yàn)閺?fù)雜的海洋環(huán)境，使得鋼吊箱在施工安放過程中面臨巨大考驗(yàn)［1-2］。作用于橋梁鋼吊箱圍堰的巨大波浪沖擊力取值對(duì)其設(shè)計(jì)、施工的安全性和可靠性產(chǎn)生重大影響。目前國外對(duì)鋼吊箱圍堰所受波浪力的研究相對(duì)較少［3］，鋼吊箱圍堰的特征尺度與波長相比大于0.2，屬于大尺度結(jié)構(gòu)物，其存在將明顯影響了原波浪場(chǎng)。國內(nèi)《海港水文規(guī)范》給出了建立在繞射理論基礎(chǔ)之上的圓形墩柱一次近似解的結(jié)果，對(duì)于方形或矩形結(jié)構(gòu)波浪力計(jì)算，給出了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法或換算成圓形進(jìn)行計(jì)算［4］，然而這樣近似計(jì)算方法無法從流場(chǎng)細(xì)部上解釋不規(guī)則大尺度結(jié)構(gòu)物與波浪場(chǎng)的相互作用，估算的波浪力往往與實(shí)際偏差較大［5-8］。目前美國規(guī)范、英國規(guī)范沒有給出大尺度的計(jì)算方法，關(guān)于鋼吊箱波浪力的研究大多處于初期階段［9-10］，缺乏系統(tǒng)性和完整性，需要深入研究。

2 工程概況

新建福州至平潭鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋是國內(nèi)首座公鐵兩用跨海大橋，大橋（B0～B58）跨越北東口水道，全長3 712.6 m。大橋主跨采用92 m+2×168 m+92 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，其余鐵路橋跨為64 m、40 m簡支梁。大橋下部結(jié)構(gòu)采用樁基礎(chǔ)，高、低樁承臺(tái)。深水區(qū)B26～B55承臺(tái)使用鋼吊箱圍堰施工，其中主墩B39～B41鋼吊箱為矩形圍堰，尺寸為37.9×25.4×12 m，重1 500 t。大橋橋址處海底地形復(fù)雜，有覆蓋層薄厚不等的平灘、縱橫交錯(cuò)的溝壑，導(dǎo)致海洋水文條件十分復(fù)雜，從而使得鋼吊箱受到極強(qiáng)的波流荷載［11-13］。

3 現(xiàn)場(chǎng)儀器布置與計(jì)算模型

3.1 儀器布置

為研究圍堰表面波流壓力分布情況，在大橋主墩B40圍堰表面布置32個(gè)水壓力測(cè)點(diǎn)，安放水壓力傳感器。傳感器編號(hào)1#～9#布置在主迎浪面，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，其中1#～3#布置在+1.84 m標(biāo)高處，4#～6#布置在-2.16 m標(biāo)高處，7#～9#布置在-5.36 m標(biāo)高處；傳感器編號(hào)10#～13#布置于圍堰底面；傳感器編號(hào)21#～26#布置于左側(cè)面；傳感器編號(hào)27#～32#布置于右側(cè)面。波壓力計(jì)通過防水電纜將信號(hào)傳遞至采集儀，數(shù)據(jù)保存在現(xiàn)場(chǎng)的工控機(jī)上?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器安裝見圖2。

圖1 正面（主迎浪面）傳感器布置

3.2 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用與實(shí)際比例一致的數(shù)值計(jì)算模型。為模擬圍堰波浪力的作用，把圍堰置于距離造波邊界大于3倍波長位置處，以保證有足夠的時(shí)間窗口提取圍堰的波浪力，避免反射波浪的影響。圍堰距離前后固壁邊界大于5倍圍堰特征尺度（垂直波浪傳播方向的邊長），以減小固壁邊界的反射波浪影響，模型邊界布置如圖3所示。其中，圍堰底部標(biāo)高固定在-6.065 m，水深標(biāo)高固定在-28.0 m。

圖2 圍堰水壓力傳感器布置照片

圖3 計(jì)算域平面布置

4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)波流壓力對(duì)比

為對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)波流壓力的變化，取四個(gè)時(shí)段為四種典型工況作為研究對(duì)象，各工況現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水文參數(shù)如表1所示。表中實(shí)際波浪參數(shù)統(tǒng)計(jì)取前1／3峰值平均值作為特征值。分析各測(cè)點(diǎn)波壓力的分布規(guī)律，截取4種工況條件下，各高程處22 s內(nèi)的水壓力時(shí)程曲線。

表1 典型工況的波浪參數(shù)

根據(jù)圍堰位置與波流特征的分布，選擇不同迎浪面測(cè)點(diǎn)，在四種工況下進(jìn)行實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比。圖4～圖8分別為工況1下，測(cè)點(diǎn)1#、5#、7#、11#、23#的實(shí)測(cè)水壓力數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬波壓力結(jié)果；圖9～圖14分別為工況 4下，測(cè)點(diǎn) 2#、5#、8#、11#、16#、19#實(shí)測(cè)水壓力數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬波壓力結(jié)果。表2～表5為各工況下各迎浪面上各測(cè)點(diǎn)的水壓力實(shí)測(cè)與模擬的對(duì)比。

圖4 工況1測(cè)點(diǎn)1#波壓力對(duì)比

圖5 工況1測(cè)點(diǎn)5#波壓力對(duì)比

圖6 工況1測(cè)點(diǎn)7#波壓力對(duì)比

圖7 工況1測(cè)點(diǎn)11#波壓力對(duì)比

圖8 工況1測(cè)點(diǎn)23#波壓力對(duì)比

圖9 工況4測(cè)點(diǎn)2#波壓力對(duì)比

圖10 工況4測(cè)點(diǎn)5#波壓力對(duì)比

圖11 工況4測(cè)點(diǎn)8#波壓力對(duì)比

圖12 工況4測(cè)點(diǎn)11#波壓力對(duì)比

圖13 工況4測(cè)點(diǎn)16#波壓力對(duì)比

圖14 工況4測(cè)點(diǎn)19#波壓力對(duì)比

表2 工況1數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)波壓力對(duì)比

表3 工況2數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)波壓力對(duì)比

表4 工況3數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)波壓力對(duì)比

表5 工況4數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)波壓力對(duì)比

對(duì)比圖和表可以看出，在四種典型工況下，各迎浪面實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合良好，除了測(cè)點(diǎn)11外，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比誤差都在10%以內(nèi)。測(cè)點(diǎn)11傳感器布置在鋼吊箱圍堰底面，由于受已完樁基的影響，模擬水壓力變化規(guī)律與實(shí)測(cè)存在較大的誤差。

從四個(gè)工況的對(duì)比可以得出，建立的計(jì)算模型精確度較高，完善后的模擬結(jié)果可以用來指導(dǎo)修正計(jì)算公式。

5 鋼吊箱上波流力公式修正

5.1 現(xiàn)有規(guī)范鋼吊箱波流力計(jì)算公式

根據(jù)《海港水文規(guī)范》［4］“附錄L 方形和矩形柱體上波浪力的計(jì)算方法”提到兩種計(jì)算方形柱體的方法，其應(yīng)用要求為:“L.0.1 b／L＞0.2時(shí)，作用于方形或a／b≤1.5的矩形斷面柱體上的波流力可按本附錄的方法計(jì)算?！逼渲衋、b分別為矩形柱體斷面平行和垂直于波向的寬度。

由于本吊箱長a＝37.912 m，寬 b＝25.4 m，a／b＜1.5，因此原則上適用于本規(guī)范。本章結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，分別采用本規(guī)范的兩種方法計(jì)算圍堰波浪力，同時(shí)考慮流對(duì)圍堰受力的影響，提出適用于平潭臺(tái)風(fēng)區(qū)跨海橋梁鋼吊箱的波浪力估計(jì)方法。

（1）方法 a

根據(jù) L.0.2 b／L＝0.2～0.9、1／3≤d1／d≤2／3且d1＞1.7H時(shí)，最大水平總波浪力 Pmax按下式計(jì)算:

式中，z1為圍堰底部至海床距離（m）。該方法無法考慮流的影響。

（2）方法 b

根據(jù) L.0.3 b／L＝0.2～0.9、d1／d＞2／3且 d1＞1．7H時(shí)，波浪力可用折算直徑D按照第8.3.6條進(jìn)行計(jì)算。折算直徑可按下式計(jì)算:

式中，b為圍堰寬度；L為波長；H為波高；r為水重度。

考慮到吃水深度影響:

式中，d1、d分別為基床上水深（即圍堰處）、建筑物前水深。由于結(jié)構(gòu)形式不同，規(guī)范中涉及結(jié)構(gòu)與實(shí)際鋼圍堰有所差異，因此在使用規(guī)范計(jì)算公式時(shí)所選取變量需要適當(dāng)調(diào)整。該方法無法考慮流的影響。

根據(jù)8.3.6較大水深作用于或d／L＞0.2大尺度柱體上的波浪力按下式計(jì)算:

式中，A為圍堰斷面積（m2）；CM為慣性力系數(shù)，對(duì)于a／b≤1.5的矩形斷面取2.2。

（3）方法 c

根據(jù)8.4.3考慮水流和波浪的作用，相對(duì)水深d／L＞0．15且 D／L＞0.2的大直徑圓柱，其波流力和波浪力矩可按下列公式計(jì)算:

式中，CM取值如圖15所示。

圖15 波浪共同作用力系數(shù)C M

但由于CM為通過試驗(yàn)擬合曲線，主墩圍堰取值在3～10左右，規(guī)范系數(shù)使用范圍不符合本圍堰波流力計(jì)算要求，因此有必要總結(jié)并修正符合箱梁圍堰的計(jì)算公式。

5.2 規(guī)范方法與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

如表6，給出了不同工況下數(shù)值模擬與規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比。數(shù)值模擬與方法a計(jì)算結(jié)果接近，方法b計(jì)算量級(jí)與變化趨勢(shì)都與前兩者差異過大，因此不適合用于圍堰波浪力計(jì)算。

方法a采用大連理工大學(xué)的研究成果。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)正向波作用時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之比平均為1.25。因此方法a可用于無水流作用時(shí)的波浪力估計(jì)。

表6 數(shù)值模擬與規(guī)范方法對(duì)比

實(shí)際流速統(tǒng)計(jì)過程中，圍堰處流速變化范圍為-1.5～1.5 m／s，如圖16所示。在表7中給出考慮流速的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與規(guī)范值對(duì)比結(jié)果，可以看出水流力對(duì)于總波浪力結(jié)果影響較大，然而規(guī)范方法a無法有效地考慮水流力的影響，規(guī)范方法3系數(shù)取值范圍不足，因此有必要總結(jié)并修正符合圍堰的計(jì)算公式。

圖16 流速統(tǒng)計(jì)（2016-9-27至2016-10-26）

表7 考慮水流作用數(shù)值模擬與規(guī)范對(duì)比

5.3 波流力修正經(jīng)驗(yàn)公式

基于規(guī)范方法a中經(jīng)驗(yàn)公式，通過考慮水流作用，進(jìn)行大量數(shù)值模擬，提出考慮波浪作用的最大水平波浪力經(jīng)驗(yàn)修正公式。

最大水平總波浪力Pmax按下式計(jì)算:

式中，Pmax為最大水平總波浪力（kN）；α為波浪共同作用力系數(shù)，按圖17確定；γ為水的重度（kN／m3）；b為矩形柱體斷面垂直于波向的寬度（m）；H為圍堰所在處波高（m）；L為波長（m）；z1為圍堰底部至海床距離（m）；d為圍堰前水深（m）。

圖17 波浪共同作用力系數(shù)α

用波浪經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)范公式對(duì)2017-1-16的波浪力進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，各時(shí)間段最大水平力如圖18所示?？梢钥闯?，修正后公式計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差較小，誤差在15%以內(nèi)。說明修正后的波流力公式能夠較好地計(jì)算大尺度鋼吊箱上的波流荷載。

圖18 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果以及《海港水文規(guī)范》附錄L的方形和矩形柱體上波浪力的計(jì)算方法，提出適用于大尺度鋼吊箱圍堰的波流力計(jì)算方法，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，可用于圍堰最大水平總波浪力的計(jì)算。